CN104090514A - 一种基于单片机的主从式变频控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的主从式变频控制系统，包括单片机控制模块、电机、旋转编码器、变频器、转速检测模块、电平转换模块、按键模块、人机交互模块、电源模块；本发明还公开一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，单片机与各变频器组网后以ModBus协议进行相互通讯，以确保各变频器工作状态及输出频率的同步变换；该系统提供了丰富的同步功能，包括单片机主控、主变频器群控、从变频器约束控制，变频器应急控制功能；还为系统提供了变频器升降速动态跟踪及变频器工作状态及操作提示信息的语音播报功能；通过ModBus的差错控制机制提供对通讯的保护；当单片机系统或通讯网络出现故障时，系统将降级运行，但不会失控。

Description

一种基于单片机的主从式变频控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于变频控制技术领域，具体涉及一种基于单片机的主从式变频控制系统及其控制方法。

背景技术

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机驱动频率及电压的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器根据电机的实际需求来提供所需的电源频率及电压，进而达到节能、调速的目的。另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等，从而在工业自动化领域得到了非常广泛的应用，变频调速已成为现代电机控制技术的重要发展方向。

此外，许多生产过程采用变频器控制其关键电机设备的启停及运行速度改变，为实现数字化控制，并使生产线的提降负荷具有良好的动态特性，常需考虑采用主从方式，保证多个从变频器与主变频器同步改变状态及输出频率。传统变频器虽可通过RS485方式组网，且支持标准的ModBus-RTU协议，但只能作为ModBus从机使用，本身无法直接实现相互通讯。目前采用的独立变频器的控制方式需要人工切换多台变频器的工作状态或修改其输出频率，为生产过程的提降负荷带来了诸多不便；若采用PLC进行通讯组网，则增加了设备投资及系统成本。

主从控制是一种负载分配应用，是为多电机传动应用而设计的。实现主从同步控制的方法有很多种，链条控制是典型的同步控制方法之一，主要用于控制精度较低，动态性能要求不高的场合，由该方法演变出的齿形带同步控制则具有较高的控制精度和动态性能，但主要局限于特定应用。采用伺服控制系统具有很高的控制精度和良好的动态特性，但是与变频驱动相比，可以得到的单台电动机的最大输出功率小很多，且成本很高；此外，目前多台电动机的同步器的价格都比较昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于单片机的主从式变频控制系统及其控制方法，采用单片机与各变频器联网的方式，通过ModBus协议进行相互通讯，两者的结合构成功能更加灵活的扩展模块，大大丰富了变频器的应用功能，以确保各变频器工作状态及输出频率的同步变换。该系统提供了丰富的同步功能，包括单片机主控、主变频器群控、从变频器约束控制，变频器应急控制功能；还为系统提供了变频器升降速动态跟踪及变频器工作状态及操作提示信息的语音播报功能；通过ModBus的差错控制机制提供对通讯的保护；当单片机系统或通讯网络出现故障时，系统将降级运行，但不会失控。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

    一种基于单片机的主从式变频控制系统，包括单片机控制模块、电机、旋转编码器、变频器、转速检测模块、电平转换模块、按键模块、人机交互模块、电源模块；

其中单片机控制模块分别与转速检测模块、电平转换模块、按键模块、人机交互模块相连；

所述电机与变频器相连；

所述旋转编码器与电机的转轴相连；

所述旋转编码器通过转速检测模块与单片机控制模块相连；

所述变频器通过电平转换模块与单片机控制模块相连；

电源模块分别为单片机控制模块、电平转换模块、按键模块、人机交互模块等供电。

所述旋转编码器与电机轴同步转动输出转速脉冲，单片机控制模块通过转速检测模块对旋转编码器输出的脉冲个数进行相敏计数，从而测得电机的转速及转向信息；单片机控制模块按预定的控制算法对所得的转速信号进行分析处理后，电平转换模块将信号电平由TTL转换为变频器网络通讯所需的RS485标准；单片机向变频器发送控制信号，最终驱动变频器进入预定的工作状态及工作频率；人机交互模块则为系统提供状态显示、参数设定、系统操作及语音播报功能。

作为本发明的进一步优化方案，所述电平转换模块采用的芯片型号为MAX485。

作为本发明的进一步优化方案，所述的变频器与单片机控制模块通过RS485总线相连，并采用ModBus-RTU通讯协议。

作为本发明的进一步优化方案，所述人机交互模块包括按键模块、语音合成模块、显示模块、音频功放模块、扬声器，其中语音合成模块、按键模块、显示模块均与单片机控制模块相连，语音合成模块还依次连接音频功放模块、扬声器。

一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：所述单片机控制模块周期性基于ModBus协议向主变频器发送参数查询请求包；

步骤二：单片机控制模块检测主变频器响应信息的正确性；

步骤三：单片机控制模块计算各从变频器的设定状态及频率，并将相应的参数打包成数据包；

步骤四：单片机控制模块向指定的从变频器基于ModBus协议发出频率及状态更新指令。

作为本发明的控制方法的进一步优化方案，步骤二包括如下步骤：

步骤2.1: 单片机控制模块接收到主变频器的响应包时，首先判断响应包中的地址与指定从机地址是否一致，若不一致进入步骤2.2，若一致进入步骤2.3；

步骤2.2：进行CRC校验，若校验失败，则将数据帧丢弃并在一定次数之内再次构造并发送查询请求包；

步骤2.3：若响应包中的地址码、CRC校验均正确，则对返回的参数进行解析及判断，以确定主变频器的当前工作状态、报警信息及输出频率。

一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：所述旋转编码器随主电机转动输出脉冲， 所述单片机控制模块通过转速检测模块对旋转编码器的输出脉冲进行相敏计数，得到主电机的转速及转向；

步骤二：单片机控制模块将所测得的主电机速度作为反馈值与其内部的标准值相比较，根据比较结果按预定控制算法计算各变频器的给定频率或转速信息，并将相应的指令打包成数据包；

步骤三：单片机控制模块向所有的变频器基于ModBus协议以数据包的形式发出频率及状态更新指令，使各变频器按预定规律同步修改各自的工作参数，从而构成以单片机为核心的主控模式。

作为本发明的控制方法的进一步优化方案，还包括如下步骤：

单片机控制模块读取各变频器的频率、转速、转矩和电流参数，并与其内部设定的最大、最小或跳变阈值进行比较，若经判断发现上述的参数超过设定的最大值、最小值或者跳变阈值，则单片机控制模块将向各变频器发出状态及频率修正指令，从而构成对所有变频器的同步约束控制。

作为本发明的控制方法的进一步优化方案，还包括如下步骤：单片机控制模块内部预设故障发生时各个变频器的工作状态变更策略，当单片机检测到某个变频器出现故障时，剩余的变频器将按照单片机内部预设的工作状态变更表进行相应状态及频率的变更。 

作为本发明的控制方法的进一步优化方案，还包括如下步骤：单片机控制模块支持如下的加减速控制方式：①线性方式；②S形曲线方式；③U形曲线方式；④倒U形曲线方式。从而保证多个电机在升降速过程的动态协调。 

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

第一、 本发明将变频器与单片机系统相结合，构成功能灵活的扩展模块，可大大丰富变频器的应用功能及应用领域；

第二、 本发明采用单片机系统进行ModBus组网，并实现ModBus主机功能，单片机通过查询主变频器获得其频率指令，并向各从变频器发送频率指令，同时确保各变频器控制功能及输出频率的同步变换；

第三、 本发明通过ModBus的差错控制机制提供对通讯的保护；当单片机系统或通讯网络出现故障时，变频器仍能按当前方式工作，系统将降级运行，但不会失控。

第四、 本发明所述的单片机主从式控制提供了灵活丰富的变频器同步控制方案，包括以下控制模式：单片机主控、主变频器群控、从变频器约束控制，变频器应急控制。为保证多个电机在升降速过程的动态协调，本系统还支持线性、S形、U形、倒U形曲线方式的加减速控制。

第五、 本发明提供了包括语音、LCD及键盘的人机接口功能，方便用户对系统功能及参数的灵活变更。

附图说明

图1为本发明的模块连接图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开一种基于单片机的主从式变频控制系统，如图1所示，包括单片机控制模块、电机、旋转编码器、变频器、转速检测模块、电平转换模块、电源模块、人机交互模块；

人机交互模块包括按键模块、显示模块、语音合成模块相连、音频功放模块、扬声器；按键模块采用4×4薄膜按键，显示模块采用256×64 LCD屏。

其中单片机控制模块分别与转速检测模块、电平转换模块、按键模块、显示模块、语音合成模块相连；

所述电机与变频器相连；

所述旋转编码器与电机的转轴相连；旋转编码器作为速度和位移的反馈传感器广泛应用于各类机电设备控制中，编码器通常有A相、B相两路输出信号，信号包含了被测变频器的旋转方向以及旋转角度等信息。

所述旋转编码器通过转速检测模块与单片机控制模块相连；

所述变频器通过电平转换模块与单片机控制模块相连；

所述语音合成模块依次连接音频功放模块、扬声器；

电源模块分别为单片机控制模块、电平转换模块、按键模块、按键模块、显示模块、语音合成模块相连、音频功放模块、扬声器供电。

本发明采用性价比较高的AT89C52单片机为核心。MCS51系列单片机串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口，MCS51系列单片机包括管脚 RXD和TXD，该接口可通过管脚 RXD和TXD与外界通信。因单片机串行口采用TTL电平，而变频器的ModBus端口采用RS-485电平，故需使用MAX485芯片进行电平转换。

所述的变频器与单片机控制模块通过RS485总线相连，并采用ModBus-RTU通讯协议。由于传统变频器虽可通过RS485方式组网，且支持ModBus-RTU协议，但只能作为ModBus从机使用，完全依靠自身无法实现网络通讯。故考虑采用单片机系统进行ModBus组网，并实现ModBus主机功能。单片机通过查询主变频器获得其频率及状态，并据此向各从变频器发送频率指令，从而实现同步主从式变频控制。

语音合成模块采用TTS语音模块，通过TTS语音模块可将各变频器工作状态、报警信息及操作提示以清晰的语音方式呈现给用户。目前语音输出功能多采用以预先录制语音芯片实现的方式，缺乏灵活性及通用性。本发明采用TTS语音合成技术，支持GB2312、GBK、BIG5及UNICODE四种内码格式中文文本及ASCII英文字母的实时语音合成，支持男/女声发音，并可灵活地调节语速、语调及音量，可使用户听到清晰悦耳的音质和连贯流畅的语调；TTS模块由单片机控制模块进行控制，并在单片机控制下完成灵活的语音合成功能。

语音合成的运行步骤是：单片机首先判别语音合成模块是否处于就绪状态，若是，则依次发送帧头、字节总数、语音合成命令码、语音合成格式控制码及待合成文本，语音模块将随后依所设命令完成TTS转换及语音播报。系统首先查询获取各变频器的工作状态、报警信息，随后通过内置TTS语音模块实现对各变频器状态、报警及操作提示信息的语音播报功能。

所述音频功放模块采用LM386音频放大器，单片机作为主控芯片，使用模拟的SPI接口控制XF-S4240实施语音合成，再经LM386完成音频信号放大后推动喇叭发音。

单片机主从式控制方法提供以下控制模式：单片机主控、主变频器群控、从变频器约束控制，变频器应急控制。

单片机主控：采用旋转编码器对主电机输出轴速度进行感测，单片机通过对其输出脉冲频率的相敏计数即可实现对主电机实际速度的测量。单片机将所测得的速度作为反馈值与给定值相比较，并根据比较结果按预定控制算法计算各变频器的给定频率或转速指令，以同步修改各变频器的给定状态或输出频率，从而达到同步控制目的。

主变频器群控：主变频器以开环与闭环的方式实现控制，单片机在查询获得主变频器速度或频率指令后，计算各从变频器的控制参数，并向各从变频器发送控制参数更新命令，从而完成同步控制。

从变频器约束控制：在特定情况下，个别变频器可能到达频率、转速、转矩和电流参数的最大、最小极限参数，或者，个别变频器到达其跳变频率（该工作频率下，机电系统可能因共振而损坏），此时将依据该变频器的状态参数修正其它变频器的工作参数，以避免造成该变频器的工作状态异常，形成同步约束控制。

变频器应急控制：当某些变频器出现故障时，将按系统预定义的方法对各变频器进行安全模式控制。

如图2所示，一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，采用主变频器群控方式，其包括如下步骤：

步骤一：所述单片机控制模块周期性基于ModBus协议向主变频器发送参数查询请求包；

步骤二：单片机控制模块检测主变频器响应信息的正确性；

步骤三：单片机控制模块计算各从变频器的设定状态及频率，并将相应的参数打包成数据包；

步骤四：单片机控制模块向指定的从变频器基于ModBus协议发出频率及状态更新指令。

该方法的步骤二还包括如下步骤：

步骤2.1: 单片机控制模块接收到主变频器的响应包时，首先判断响应包中的地址与指定从机地址是否一致,若不一致进入步骤2.2，若一致进入步骤2.3；

步骤2.2：进行CRC校验，若校验失败，则将数据帧丢弃并在一定次数之内再次构造并发送查询请求包；

步骤2.3：若响应包中的地址码、CRC校验均正确，则对返回的参数进行解析及判断，以确定主变频器的当前工作状态、报警信息及输出频率。

该方法中，单片机控制模块通过RS485总线查询读取获得主变频器速度或频率指令后，计算各从变频器的控制参数，并向各从变频器发送控制参数更新命令，从而完成同步控制。

当该基于单片机的主从式变频控制系统采用单片机主控方式时，采用如下方法：

步骤一：所述旋转编码器随电机转动输出脉冲， 所述单片机控制模块通过转速检测模块对旋转编码器的输出脉冲进行相敏计数，得到电机的转速及转向；

步骤二：单片机控制模块将所测得的主电机速度作为反馈值与其内部的标准值相比较，根据比较结果按预定规律计算各变频器的给定频率或转速信息，并将相应的指令打包成数据包；

步骤三：单片机控制模块向指定的各变频器基于ModBus协议以数据包的形式发出频率及状态更新指令，使各变频器按预定控制算法同步修改各自的速度。

该方法中，单片机控制模块直接采用旋转编码器对主电机输出轴速度进行感测，并按预定控制算法同步修改各变频器的给定速度，从而达到同步控制目的。

当该基于单片机的主从式变频控制系统采用从变频器约束控制时，在上述单片机主控方式和主变频器群控方式的基础上增加如下步骤：

单片机控制模块读取从变频器的频率、转速、转矩和电流参数，并与其内部设定的最大、最小或跳变阈值进行比较，若发现参数越限，则单片机控制模块将向各变频器发出状态修正指令，从而实现对所有的变频器的同步约束控制，以保护整个系统的安全平稳运行。

当该基于单片机的主从式变频控制系统采用变频器应急控制模式时，在上述单片机主控方式、主变频器群控方式、从变频器约束控制方式的基础上增加如下步骤：

单片机内部预设故障发生时每个变频器的工作状态变更，当单片机检测某个变频器出现故障时，剩余的变频器按照单片机内部预设的工作状态变更表进行相应状态的变更，保证系统进入一个可预测的安全工作模式，有效避险，这样既保证了安全，又降低了成本。

为适应不同应用系统及其对负荷调整过程中动态特性的不同需求，保证多个电机在升降速过程的动态协调，本系统还支持如下方式的加减速控制：①线性方式：即频率与时间成线性关系；②S形曲线方式：开始和结束阶段比较缓慢，在中间阶段按线性方式来升速和减速；③U形曲线方式：起始阶段按S形曲线方式加减速，而在结束阶段按照线性方式加减速；④倒U形曲线方式：起始阶段按照线性方式加减速，而在结束阶段按照S形曲线方式加减速。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于单片机的主从式变频控制系统，其特征在于：包括单片机控制模块、电机、旋转编码器、变频器、转速检测模块、电平转换模块、按键模块、人机交互模块、电源模块；

其中单片机控制模块分别与转速检测模块、电平转换模块、按键模块、人机交互模块相连；

所述电机与变频器相连；

所述旋转编码器与电机的转轴相连；

所述旋转编码器通过转速检测模块与单片机控制模块相连；

所述变频器通过电平转换模块与单片机控制模块相连；

电源模块分别为单片机控制模块、电平转换模块、按键模块、人机交互模块等供电；

所述旋转编码器与电机轴同步转动输出转速脉冲，单片机控制模块通过转速检测模块对旋转编码器输出的脉冲个数进行相敏计数，从而测得电机的转速及转向信息；单片机控制模块按预定的控制算法对所得的转速信号进行分析处理后，电平转换模块将信号电平由TTL转换为变频器网络通讯所需的RS485标准；单片机向变频器发送控制信号，最终驱动变频器进入预定的工作状态及工作频率；人机交互模块则为系统提供状态显示、参数设定、系统操作及语音播报功能。

2.如权利要求1所述的一种基于单片机的主从式变频控制系统，其特征在于：所述电平转换模块采用的芯片型号为MAX485。

3.如权利要求2所述的一种基于单片机的主从式变频控制系统，其特征在于：所述的变频器与单片机控制模块通过RS485总线相连，并采用ModBus-RTU通讯协议。

4.如权利要求3所述的一种基于单片机的主从式变频控制系统，其特征在于：所述人机交互模块包括按键模块、语音合成模块、显示模块、音频功放模块、扬声器，其中语音合成模块、按键模块、显示模块均与单片机控制模块相连，语音合成模块还依次连接音频功放模块、扬声器。

5.一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，适用于权利要求3所述的基于单片机的主从式变频控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：所述单片机控制模块周期性基于ModBus协议向主变频器发送参数查询请求包；

步骤二：单片机控制模块检测主变频器响应信息的正确性；

步骤三：单片机控制模块计算各从变频器的设定状态及频率，并将相应的参数打包成数据包；

步骤四：单片机控制模块向指定的从变频器基于ModBus协议发出频率及状态更新指令。

6.根据权利要求5所述的一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：

步骤2.1: 单片机控制模块接收到主变频器的响应包时，首先判断响应包中的地址与指定从机地址是否一致,若不一致进入步骤2.2，若一致进入步骤2.3；

步骤2.2：进行CRC校验，若校验失败，则将数据帧丢弃并在一定次数之内再次构造并发送查询请求包；

步骤2.3：若响应包中的地址码、CRC校验均正确，则对返回的参数进行解析及判断，以确定主变频器的当前工作状态、报警信息及输出频率。

7.一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，适用于权利要求3所述的基于单片机的主从式变频控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：所述旋转编码器随主电机转动输出脉冲， 所述单片机控制模块通过转速检测模块对旋转编码器的输出脉冲进行相敏计数，得到主电机的转速及转向；

步骤二：单片机控制模块将所测得的主电机速度作为反馈值与其内部的标准值相比较，根据比较结果按预定控制算法计算各变频器的频率或转速指令，并将相应的指令打包成数据包；

步骤三：单片机控制模块向所有的变频器基于ModBus协议以数据包的形式发出频率及状态更新指令，使各变频器按预定规律同步修改各自的工作参数，从而构成以单片机为核心的主控模式。

8.根据权利要求5或6或7所述的一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

单片机控制模块读取各变频器的频率、转速、转矩和电流参数，并与其内部设定的最大、最小或跳变阈值进行比较，若经判断发现上述的参数超过设定的最大值、最小值或者跳变阈值，则单片机控制模块将向各变频器发出状态及频率修正指令，从而构成对所有变频器的同步约束控制。

9.根据权利要求8所述的一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

单片机控制模块内部预设故障发生时各个变频器的工作状态变更策略，当单片机检测到某个变频器出现故障时，剩余的变频器将按照单片机内部预设的工作状态变更表进行相应状态及频率的变更。

10. 根据权利要求9所述的一种基于单片机的主从式变频控制系统的控制方法，其特征在于：

系统加减速控制方式包括：①线性方式；②S形曲线方式；③U形曲线方式；④倒U形曲线方式。